[논문 리뷰] Matter Wave Analog of a Fiber-Optic Gyroscope

Katarzyna Krzyżanowska, Jorge Ferreras외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 레이저-디폴드 웨이브가이드에서 87Rb 원자로 구성된 보즈아인슈타인 응축물(BEC)을 사용하여, 섬세하게 봉인된 물질파 유사성 섬유광학 자이로스코프를 처음으로 구현한다. 델타킥 냉각과 브라그 펄스를 활용해 효과적인 봉인 면적이 0.8 mm²인 사나크 간섭계를 구성함으로써, 평균 간섭 무늬 대trast가 20%에 도달하고, 위상 노이즈가 τ⁻¹/²로 스케일링되어 30분 간 평균 처리 후 지구의 자전을 감지할 수 있다.

ABSTRACT

Confining the propagating wavepackets of an atom interferometer inside a waveguide can substantially reduce the size of the device while preserving high sensitivity. We have realized a two-dimensional Sagnac atom interferometer in which Bose-condensed $^{87}$Rb atoms propagate within a tight waveguide formed by a collimated laser beam, a matter wave analog of the fiber optic gyro (FOG). The condensate is split, reflected, and recombined with a series of Bragg pulses while the waveguide moves transversely so that the wavepacket trajectories enclose an area. Delta-kick cooling is used to prepare low-density atomic wavepackets with a temperature of \SI{3}{ ano \kelvin}. The low density reduces the impact of interatomic interactions, while the low temperature limits the expansion of the wavepacket during the interferometer cycle. The effective enclosed area is $0.8 ext{mm}^2$ with an average fringe contrast of 20\% and underlying contrast up to 60\%. The main source of the reduced average contrast is phase noise caused by mechanical vibrations of the optical components. We present the first measurement of Allan deviation for such an atom rotation sensor, showing that the interferometer phase noise falls with averaging time $τ$ as $τ^{-1/2}$ for $τ$ up to 10,000 seconds. The statistical noise falls below the Earth rotation rate after 30 minutes of averaging.

연구 동기 및 목표

• 자기적 간섭계의 크기 제약을 극복하고, 자유공간 원자 간섭계의 크기가 탐지 시간에 따라 제곱으로 증가하는 문제를 해결하기 위해, 물질파를 밀도 높은 광학 웨이브가이드에 봉인하여 소형 고감도 원자 간섭계 자이로스코프를 개발한다.
• 중력에 의한 웨이브패킷 확산으로 인해 탐지 시간이 길어질수록 성능이 떨어지는 자유공간 원자 간섭계의 크기 제약 문제를 해결한다.
• 저온, 저밀도 BEC 웨이브패킷과 견고한 광학 유도를 통해 상호작용에 의한 위상 노이즈와 기계적 진동에 의한 영향을 최소화한다.
• 효과적인 봉인 면적을 극대화하면서도 고간섭 무늬 대비와 낮은 통계 노이즈를 유지함으로써 고감도 자전 감지 성능을 확보한다.
• 간섭계의 알란 편차를 측정하고 특성화하여, 30분 간 평균 처리 후 지구 자전 속도 이하의 성능을 입증한다.

제안 방법

• 2D 광학 웨이브가이드를 형성하기 위해 87Rb 보즈아인슈타인 응축물을 밀도 높은 레이저 빔에 강하게 봉인함으로써, FOG의 섬유와 유사한 구조를 구현한다.
• 저밀도, 저온 원자 웨이브패킷(3 nK)을 생성하기 위해 델타킥 냉각을 적용함으로써 웨이브패킷 확산과 원자 간 상호작용을 억제한다.
• 웨이브패킷을 분할, 반사, 재결합시키는 브라그 펄스 시퀀스를 구현하면서, 웨이브가이드가 횡방향으로 이동하여 0.8 mm² 면적을 봉인한다.
• p=0 출력 포트의 인구 수를 측정하여 간섭계 위상 이동을 측정하고, 위상 노이즈와 오프셋 노이즈를 포함한 노이즈 모델을 사용해 간섭 무늬 대비를 분석한다.
• 위상 노이즈를 시간에 따라 정량화하기 위해 알란 편차를 적용하였으며, 10,000초 이하에서 τ⁻¹/² 스케일링을 관찰하여 양자 제한된 성능임을 입증한다.
• 상호작용 계수 g와 비선형 위상 누적 ξ를 사용해 위상 확산을 모델링하고, 가시도 V = exp(–2ξ²N)를 통해 상호작용에 의한 분해를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 광학 유도를 통해 봉인된 BEC 사나크 간섭계가 소형 패키지 내에서 큰 효과적인 봉인 면적을 달성할 수 있는가?
• RQ2 델타킥 냉각이 유도된 물질파 자이로스코프에서 간섭 무늬 대비와 위상 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 평균 처리 시간 τ에 따라 위상 노이즈가 어떻게 스케일링되는가? 그리고 기대되는 양자 제한된 동작에 따라 τ⁻¹/² 스케일링을 따르는가?
• RQ4 기계적 진동과 원자 간 상호작용은 간섭계 성능을 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 알란 편차는 물질파 자전 센서의 통계 노이즈 성능을 특성화하고 검증하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 평균 간섭 무늬 대비 20%와 동시에 최대 60%의 기초 대비를 달성한 0.8 mm²의 효과적인 봉인 면적을 확보하였다.
• 10,000초 이하의 평균 처리 시간 동안 위상 노이즈가 τ⁻¹/²로 스케일링되었으며, 이는 양자 제한된 행동임을 나타내고, 30분 간 통합 후 지구 자전 속도 이하의 통계 노이즈가 존재함을 의미한다.
• 델타킥 냉각은 웨이브패킷 확산과 원자 간 상호작용 영향을 감소시켜, 80 ms의 탐지 시간 동안에도 높은 간섭 무늬 가시도를 유지하였다.
• 이론적 모델링 결과, 밀도가 높은 클러스터에서는 상호작용에 의한 위상 확산이 가시도를 크게 감소시키지만, 저밀도 및 델타킥 처리된 웨이브패킷에서는 이 현상이 완화됨을 확인하였다.
• 기계적 진동이 평균 간섭 무늬 대비를 감소시키는 주요 원인로 규명되었으며, 높은 내재적 공명성에도 불구하고 위상 노이즈에 기여하였다.
• 간섭계는 통계 노이즈 바닥이 10⁻⁴°/√h 이하로 나타나, 최고의 상용 섬유광학 자이로스코프의 성능을 충족함을 입증하였다.